CN108779779A - 马达冷却剂在轴与电动转子之间的轴向凹槽内循环的离心压缩机 - Google Patents

马达冷却剂在轴与电动转子之间的轴向凹槽内循环的离心压缩机 Download PDF

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Abstract

离心压缩机(22、22’)包括壳体(30)、入口导叶(32a、32b)、叶轮(34a、34b)、马达(38)、扩散器(36a、36b)和冷却介质输送结构(SS、SR、RS、RR、IC、OC、G、80)。马达(38)包括安装在轴上的转子(62)和配置于转子(62)的径向外侧的定子(60)，以在转子(62)与定子(60)之间形成间隙(G)。冷却介质输送结构(SS、SR、RS、RR、IC、OC、G、80)包括入口导管(IC)和出口导管(OC)，入口导管定位成将冷却介质供给到马达(38)，出口导管定位成将冷却介质从马达(38)排出。轴(42)具有与转子(62)的内部形状不同的外部形状，以在轴(42)与转子(62)之间形成至少一个轴向通道(80)。冷却介质通过间隙(G)和至少一个轴向通道(80)供给，以冷却转子(62)。

Description

马达冷却剂在轴与电动转子之间的轴向凹槽内循环的离心压 缩机
技术领域
本发明总体上涉及一种用于冷却器系统的离心压缩机。更具体而言，本发明涉及一种具有马达冷却的离心压缩机。
背景技术
冷却器系统是从介质中去除热量的制冷机器或装置。通常使用诸如水之类的液体作为介质，并且冷却器系统在蒸气压缩制冷循环中运转。该液体接着能通过热交换器进行循环，以根据需要对空气或装备进行冷却。作为必要的副产品，制冷会产生废热，必须将其排放到环境中，或者为了获得更高的效率，将其回收以用于加热的目的。常规的冷却器系统通常使用离心压缩机，该离心压缩机通常被称为涡轮压缩机。因此，这种冷却器系统可以被称为涡轮冷却器。替代地，能使用其它类型的压缩机，例如螺杆压缩机。
在常规的(涡轮)冷却器中，制冷剂在离心压缩机中被压缩并被送到热交换器，在上述热交换器中，在制冷剂与热交换介质(液体)之间发生热交换。这种热交换器被称为冷凝器，因为制冷剂在该热交换器中冷凝。作为结果，热量被传递到介质(液体)以加热介质。离开冷凝器的制冷剂通过膨胀阀膨胀，并被送到另一个热交换器，在该热交换器中，在制冷剂与热交换介质(液体)之间发生热交换。该热交换器被称为蒸发器，因为制冷剂在该热交换器中加热(蒸发)。作为结果，热量从介质(液体)传递到制冷剂，从而使液体冷却。来自蒸发器的制冷剂接着返回到离心压缩机，并重复该循环。所用的液体通常是水。
常规的离心压缩机基本上包括壳体、入口导叶、叶轮、扩散器、马达、各种传感器以及控制器。制冷剂依次流过入口导叶、叶轮以及扩散器。因而，入口导叶联接到离心压缩机的进气端口，而扩散器联接到叶轮的出气端口。入口导叶对进入叶轮的制冷剂气体的流量进行控制。叶轮增大制冷剂气体的速度。扩散器用于将由叶轮给出的制冷剂气体的速度(动态压力)转换成(静态)压力。马达使叶轮旋转。控制器控制马达、入口导叶以及膨胀阀。以这种方式，制冷剂在常规的离心压缩机中被压缩。常规的离心压缩机可以具有单级或双级。马达驱动一个或多个叶轮。
常规的离心压缩机中的马达可能需要进行冷却。马达冷却的一般方法是使用冷却器系统的制冷剂。参见例如美国专利第3,805,547号、美国专利第3,645,112号以及日本公开第JPH01-138946号。
发明内容
用于离心冷却器系统的相对常见的制冷剂的一个示例是R134a。当这种制冷剂用于常规的冷却器系统时，常规的马达冷却技术起到相对较好的作用。参见图25至图26。
然而，已发现当例如R1233zd之类的低压制冷剂(LPR)用于离心冷却器系统时，常规的马达冷却技术可能是不够的。参见图25至图27。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于冷却器的离心压缩机，即使当采用诸如R1233zd之类的LPR时，也可充分对马达进行冷却。
还发现当采用诸如R1233zd之类的低压制冷剂(LPR)时，在采用常规的马达冷却技术的常规离心冷却器系统中，转子温度高于定子温度。参见图27。转子和/或定子的温度可能还会变得比预期的更高。
因此，本发明的另一个目的是提供一种用于冷却器的离心压缩机，即使当采用诸如R1233zd之类的LPR时，也可充分对马达的转子和/或定子进行冷却。
进一步发现，马达冷却的量取决于制冷剂流量，并且在常规的离心压缩机中过高的制冷剂流量可能会导致马达上的阻力。
因此，本发明的另一目的是提供一种用于冷却器的离心压缩机，在该离心压缩机中提供有充足的制冷剂流量而不会引起马达上的阻力。
进一步发现，制冷剂流量、进而冷却量取决于较高压力侧与较低压力侧之间的压力差。R134a的压力差高于诸如R1233zd之类的LPR的压力差。然而，进一步发现，流路的截面积也是制冷剂流量中的因素。
因此，本发明的另一目的是提供一种用于冷却器的离心压缩机，在该离心压缩机中提供有充足的流路截面积和/或压力差，使得即使在采用诸如R1233zd之类的低压制冷剂(LPR)时，也可促进充分的制冷剂流动和冷却。
进一步发现，诸如R1234ze或R1234yf之类的第全球变暖潜值(GWP)制冷剂可能还面临一个或多个上述挑战。
因此，本发明的又一目的是提供一种用于冷却器的离心压缩机，在该离心压缩机中，能够采用诸如R1234ze或R1234yf之类的低全球变暖潜值(GWP)制冷剂以对根据一个或多个上述目的的马达进行充分的冷却。
一个或多个上述目的基本上可以通过提供一种适用于冷却器的离心压缩机来实现。离心压缩机包括壳体、入口导叶、叶轮、马达、扩散器以及冷却介质输送结构。壳体具有入口部和出口部。入口导叶配置于入口部。叶轮配置于入口导叶的下游。叶轮附接到能绕旋转轴线旋转的轴。扩散器配置于叶轮的下游的出口部。马达布置成使轴旋转，从而使叶轮旋转。马达包括转子和定子，上述转子安装在轴上，上述定子配置于转子的径向外侧，以在转子与定子之间形成间隙。冷却介质输送结构包括入口导管和出口导管，上述入口导管定位成将冷却介质供给到马达，上述出口导管定位成将冷却介质从马达排出。轴具有与转子的内部形状不同的外部形状，以在轴与转子之间沿着轴的轴向长度形成至少一个轴向通道，上述轴向通道至少与转子的轴向长度一样长。入口导管定位成通过间隙和至少一个轴向通道供给冷却介质，以对转子进行冷却。出口导管定位成从间隙和至少一个轴向通道排出冷却介质。
从以下结合附图公开优选实施方式的详细描述，本领域技术人员可以更了解本发明的上述和其它目的、特征、方面以及优点。
附图简述
现在参照附图，这些附图形成该原始公开的一部分：
图1是表示具有根据本发明一实施方式的离心压缩机的单级冷却器系统的示意图；
图2是表示具有根据本发明一实施方式的离心压缩机的双级冷却器系统(具有节热器)的示意图；
图3是表示适用于图1和图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第一选项的局部示意图，其中，虚线圆圈所示的第二级表示第二级仅出现在图2中；
图4是表示适用于图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第二选项的局部示意图；
图5是表示适用于图1和图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第三选项的局部示意图，其中，虚线圆圈所示的第二级表示第二级仅出现在图2中；
图6是表示适用于图1和图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第四选项的局部示意图，其中，虚线圆圈所示的第二级表示第二级仅出现在图2中；
图7是表示适用于图1和图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第五选项的局部示意图，其中，虚线圆圈所示的第二级表示第二级仅出现在图2中；
图8是表示适用于图1和图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第一选项和第三选项的组合的局部示意图，其中，虚线圆圈所示的第二级表示第二级仅出现在图2中；
图9是表示适用于图1和图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第一选项和第四选项的组合的局部示意图，其中，虚线圆圈所示的第二级表示第二级仅出现在图2中；
图10是表示适用于图1和图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第一选项和第五选项的组合的局部示意图，其中，虚线圆圈所示的第二级表示第二级仅出现在图2中；
图11是表示适用于图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第二选项和第三选项的组合的局部示意图；
图12是表示适用于图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第二选项和第四选项的组合的局部示意图；
图13是表示适用于图2的冷却器系统的定子和转子冷却流路的第二选项和第五选项的组合的局部示意图；
图14是图2所示的冷却器系统的离心压缩机的立体图，其中，为了进行图示，将上述离心压缩机的一部分切除并且以截面示出；
图15A是图1至图14所示的压缩机的马达的简化局部纵向剖视图，其表示转子冷却的第一并行定向流动；
图15B是图1至图14所示的压缩机的马达的简化局部纵向剖视图，其表示转子冷却的第二并行定向流动；
图16A是图1至图14所示的压缩机的马达的简化局部纵向剖视图，其表示转子冷却的第一串行定向流动；
图16B是图1至图14所示的压缩机的马达的简化局部纵向剖视图，其表示转子冷却的第二串行定向流动；
图17是图1至图16所示的离心压缩机的叶轮、马达以及磁轴承的示意纵向剖视图，其中，为了简单起见，省略了冷却介质流动；
图18是图1至图17所示的压缩机的马达的马达轴的放大立体图；
图19是图18所示的马达轴的纵向主视图；
图20是图18至图19所示的马达轴的端部主视图；
图21是沿着图19的剖面线21-21观察时的、图18至图20所示的马达轴的横向剖视图；
图22是沿着图19的剖面线22-22剖切观察时的、图18至图20所示的马达轴的横向剖视图；
图23是沿着图15A的剖面线23-23观察时的、图15A至图15B所示的压缩机的马达的局部横向剖视图，其表示轴内的凹槽相对于旋转方向所呈的负角度；
图24是沿着图15A的剖面线23-23观察时的、图15A至图15B所示的压缩机的马达的局部横向剖视图，其表示轴内的凹槽相对于旋转方向所呈的正角度；
图25是具有常规马达的离心压缩机的局部剖视图；
图26是表示当R134a为制冷剂时，图25的常规压缩机内的定子温度和转子温度的图表；
图27是表示当R1233zd为制冷剂时，图25的常规压缩机内的定子温度和转子温度的图表；
图28是表示当R134a为制冷剂时，图25的常规压缩机内的定子温度和转子温度的图表。
具体实施方式
现将参照附图说明所选择的实施方式。本领域技术人员根据本公开将清楚可见，实施方式的以下描述仅提供用于说明，而并非为了限制由所附的权利要求书及其等同物来限定的本发明。
首先参照图1和图2，示出了具有根据本发明一实施方式的离心压缩机22、22’的冷却器系统10、10’。图1的离心压缩机22是单级压缩机，因而图1的冷却器系统10是单级冷却器系统。图2的离心压缩机22’是双级压缩机，因而图2的冷却器系统10’是双级冷却器系统。图2的双级冷却系系统还包括节热器。图1和图2仅示出了冷却器系统的两个示例，在这两个示例中能够采用根据本发明的离心压缩机22、22’。
现简要参照图3至图13，示出了用于将离心压缩机22、22’附接到冷却器系统10、10’内的多种选项，以提供根据本发明的马达冷却流动。由于图3至图13所示的多种选项，因而图1和图2未示出图3至图13所示的马达冷却流动，若将上述马达冷却流动包含在图1至图2中，则可能导致对图1至图2的混淆。然而，如上述附图简述所指出的那样，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，能够将图3至图13的选项结合到图1和图2所示的冷却器系统10、10’中。另外，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，冷却器系统10’的节热器在不用于图3至图13中的马达冷却流动时能够去除。
除了离心压缩机22、22’以及冷却流动被供给到离心压缩机22、22’的方式以外，冷却器系统10、10’是常规的冷却器系统。因此，在本文中，除非涉及离心压缩机22、22’以及冷却流动被供给到离心压缩机22、22’以外，否则将不会对冷却器系统10、10’进行详细讨论和/或说明。然而，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，在不偏离本发明的范围的情况下，能够以各种方式构成冷却器系统10、10’的常规部件。在所示实施方式中，冷却器系统10、10’优选为以常规方式利用冷却水和冷却器水的水冷却器。
除了离心压缩机22’是双级压缩机以外，离心压缩机22、22’彼此相同。因而，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，除了移除了一些部件以外，单级压缩机22与离心压缩机22’相同。因此，双级压缩机22’不仅包括单级压缩机22的全部部件，而且还包括额外的部件。因此，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，除了涉及压缩的第二级的部件以及涉及压缩的第二级的变型(即，外壳形状、轴端部形状等)以外，双级压缩机22’的描述和图示也适用于单级压缩机22。鉴于这些点，并且为了简洁起见，本文仅对双级压缩机22’进行详细说明和/或图示。以下将对压缩机22’进行更详细说明。
再次参照图1至图2，现将对冷却器系统10、10’的零件进行简要说明。冷却器系统10基本上包括串行连接在一起以形成环路制冷循环的冷却器控制器20、压缩机22、冷凝器24、膨胀阀或孔口27以及蒸发器28。冷却器系统10’包括串行连接在一起以形成环路制冷循环的冷却器控制器20、离心压缩机22’、冷凝器24、膨胀阀或孔口25、节热器26、膨胀阀或孔口27以及蒸发器28。在任意情况下，各种传感器(未示出)配置于冷却器系统10、10’的整个回路，从而以常规方式控制冷却器系统10、10’。
现参照图1至图17，主要参照图14至图17，将对压缩机22’进行更详细说明。在所示实施方式中，压缩机22’是双级离心压缩机。因而，本文所示的压缩机22’包括两个叶轮。然而，压缩机22’包括三个以上的叶轮(未示出)，或者可以是图1所示的单级压缩机。除了压缩机22’包括马达冷却路径和冷却制冷剂以外，所示实施方式的双级离心压缩机22’是常规的离心压缩机，其中，上述马达冷却路径连接到图3至图13之一所示的压缩机22’，上述冷却制冷剂被供给到图15A至图15B所示的压缩机22’内。当然，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，在不偏离本发明的范围的情况下，也能够采用图16A至图16B的冷却路径。以下将对马达冷却进行更详细说明。
因而，离心压缩机22’包括第一级叶轮34a和第二级叶轮34b。离心压缩机22’还包括第一级入口导叶32a、第一扩散器/蜗壳36a、第二级入口导叶32b、第二扩散器/蜗壳36b、压缩机马达38、磁轴承组件40以及各种常规的传感器(仅示出一些)。虽然在本文中对磁轴承进行了描述，但是本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，本发明可以使用其它类型和形式的压缩机轴承。壳体30覆盖离心压缩机22’的其它部件。壳体30包括用于压缩机22’的第一级的入口部31a和出口部33a。壳体30还包括用于压缩机22’的第二级的入口部31b和出口部33b。
冷却器系统20以常规方式从各种传感器接收信号，并对入口导叶32a、32b、压缩机马达38以及磁轴承组件40进行控制，以下进行更详细说明。制冷剂依次流过第一级入口导叶32a、第一级叶轮34a、第二级入口导叶32b以及第二级叶轮34b。入口导叶32a、32b分别以常规方式对流入叶轮34a、34b的制冷剂气体的流量进行控制。叶轮34a、34b通常在不改变压力的情况下增大制冷剂气体的速度。马达速度决定制冷剂气体速度的增量。扩散器/蜗壳36a、36b增大制冷剂压力。扩散器/蜗壳36a、36b相对于壳体30不可移动地固定。压缩机马达38经由轴42使叶轮34a、34b旋转。磁轴承组件40对轴42进行磁支承。替代地，轴承系统可以包括滚子元件、流体动力轴承、静压轴承和/或磁轴承、或者这些轴承的任意组合。以这种方式，制冷剂在离心压缩机22’内压缩。
在冷却器系统10运转时，压缩机22’的第一级叶轮34a和第二级叶轮34b旋转，并且冷却器系统10内的低压制冷剂通过第一级叶轮34a吸入。制冷剂的流量通过入口导叶32a进行调节。通过第一级叶轮34a吸入的制冷剂被压缩成中压，通过第一扩散器/蜗壳36a增大制冷剂压力，制冷剂随后被引导至第二级叶轮34b。制冷剂的流量通过入口导叶32b进行调节。第二级叶轮34b将中压的制冷剂压缩成高压，并且通过第二扩散器/蜗壳36b增大制冷剂压力。随后，高压气体制冷剂被排出至冷却器系统10。
参照图14至图17，磁轴承组件40是常规的磁轴承组件，因而，除了与本发明有关之外，本文将不会详细讨论和/或图示。相反，本领域技术人员将清楚可见，在不偏离本发明的情况下，能够采用任何合适的磁轴承。磁轴承组件40优选包括第一径向磁轴承44、第二径向磁轴承46以及轴向(推力)磁轴承48。在任何情况下，至少一个径向磁轴承44或46能旋转地支承轴42。推力磁轴承48通过作用在推力盘45上而沿着旋转轴线X对轴42进行支承。推力磁轴承48包括附接到轴42的推力盘45。
推力盘45沿垂直于旋转轴线X的方向从轴42径向地延伸，并且相对于轴42固定。轴42的沿着旋转轴线X的位置(轴向位置)通过推力盘45的轴向位置进行控制。第一径向磁轴承44和第二径向磁轴承46配置在压缩机马达38的相反的轴向端部上。各种传感器以常规方式对轴42相对于磁轴承44、46、48的径向位置和轴向位置进行检测，并将信号发送到冷却器控制器20。冷却器控制器20接着以常规方式对发送到磁轴承44、46、48的电流进行控制，以将轴42维持在正确位置。磁轴承组件40优选是主动磁轴承44、46、48的组合，该磁轴承组件40利用间隙传感器54、56、58来监测轴位置，并将指示轴位置的信号发送到冷却器控制器20。因而，每个磁轴承44、46、48优选是主动磁轴承。
现参照图14至图24，将对根据本发明的马达38进行更详细说明。马达38包括定子60和转子62。定子60被固定到壳体30的内表面。另一方面，转子62被固定到轴42。定子60和转子62是常规的定子和转子。因而，当电力被输送到定子60时，引起转子62旋转。由于转子被固定到轴42，因而也引起轴42旋转，进而也引起叶轮34a、34b旋转。间隙G形成在定子60与转子62之间。间隙G绕转子62周向地延伸一整圈，并且沿着定子60和转子62的长度轴向地延伸。冷却流体被供给到定子60外。另外，冷却流体被供给到马达38的轴向端部，从而以轴向地流过间隙G的方式对转子62进行冷却。以下将对定子60和转子62的冷却进行更详细说明。
参照图18至图24，现将对轴42进行更详细说明。应当注意的是，图17是简化的视图，因而未示出轴42的一部分。如上所述，转子62安装在轴42上。轴42包括第一径向磁轴承部64、第二径向磁轴承部66、第三轴向磁轴承支承部68、扩大部70以及转子支承部72。另外，叶轮支承部74a、74b配置在轴42的相反的端部，并且具有固定地附接到上述叶轮支承部74a、74b的叶轮34a、34b。
第一径向磁轴承部64轴向地配置在转子支承部72与叶轮支承部34a之间。第一径向磁轴承部64被第一径向磁轴承44以常规方式径向地磁支承。第三轴向磁轴承支承部68轴向地配置在扩大部70与第二磁轴承部66之间。第三轴向磁轴承支承部68具有推力盘45，上述推力盘45以常规方式固定地安装在上述第三轴向磁轴承支承部68上(未在图18至图24中示出)。推力盘45被轴向磁轴承48以常规方式轴向地磁支承。第二磁轴承部66轴向地配置在第三轴向磁轴承支承部68与第二叶轮支承部74b之间。第二径向磁轴承部66被第二径向磁轴承46以常规方式径向地磁支承。
转子支承部72轴向地配置在第一磁轴承部64与扩大部70之间。扩大部70轴向地配置在转子支承部72与第三轴向磁轴承支承部68之间。在扩大部70和转子支承部72的一部分的外表面形成有多个凹槽80。由于凹槽80的存在，轴42具有与转子62的内部形状不同的外部形状，以形成多个轴向通道。由于扩大部70比转子支承部72大，因而转子62能够在转子支承部72上滑动直到该转子62与扩大部70接触。参见图14至图16。然而，凹槽80的长度比转子62的长度长，并且沿着扩大部70和转子支承部72的一部分延伸。另外，从图18和图21最好理解的是，凹槽80的深度大于扩大部70与转子支承部72之间的径向高度差。因而，冷却流体能够轴向地流过凹槽80，以下进行更详细说明。冷却流体能够如图15A所示并行地从左向右流，或者如图15B所示并行地从右向左流。替代地，冷却介质能够如图16A所示串行(即，反向流动)地朝/从左流，或者如图16B所示串行地朝/从右流。当在供给侧与返回侧之间存在较大的压力差时，图16A和图16B的流动特别有用。
仍参照图18至图24，现将对轴42的凹槽80进行更详细说明。在所示实施方式中，轴42具有彼此周向等距地间隔开的六个凹槽80。因而，轴42的外部形状包括(扩大部70和转子支承部72各自的)环状部和多个凹槽80，其中，上述凹槽80从环状部径向向内延伸。另外，在所示实施方式中，凹槽80彼此相同。每个凹槽80包括：第一侧壁82；第二侧壁84，上述第二侧壁84与第一侧壁82周向地间隔开；以及槽壁86，上述槽壁86径向地连接第一侧壁82和第二侧壁84的内端部。当在轴向截面上观察时，每个凹槽80的第一侧壁82与该凹槽80的第二侧壁84大致平行。另外，从图23和图24最好理解的是，当在轴向截面上观察时，每个凹槽80具有与第一侧壁82及第二侧壁84等距地间隔开的中心线C，并且每个凹槽80的中心线C相对于轴42的径向方向倾斜。
鉴于上述构造，轴42的外部形状与转子62的内部形状不同，以在轴42与转子62之间沿着轴42的轴向长度形成多个轴向通道，上述轴向通道至少与转子62的轴向长度一样长。在任何情况下，轴42具有与转子62的内部形状不同的外部形状，以在轴42与转子62之间沿着轴42的轴向长度形成至少一个轴向通道，上述轴向通道至少与转子62的轴向长度一样长。当讨论此处转子的轴向长度时，其意指转子62附接到轴42的部分的轴向长度。当在轴向截面上观察时，至少一个的轴向通道的总截面积大于间隙G的总截面积。优选地，当在轴向截面上观察时，至少一个的轴向通道的总截面积是间隙G的总截面积的大约两倍。
如图23所示，在离心压缩机22或22’运转期间，轴42沿旋转方向R旋转，从而使每个中心线C可以倾斜成使得中心线C的径向内端部周向地配置在比中心线C的径向外端部更靠正旋转方向处。这示出了凹槽80的负角度。替代地，如图24所示，在离心压缩机22或22’运转期间，轴42沿旋转方向R旋转，从而使每个中心线C可以倾斜成使得中心线C的径向外端部周向地配置在比中心线C的径向内端部更靠正旋转方向处。这示出了凹槽的正角度。
所示实施方式的凹槽构造仅为示例。然而，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，精确的凹槽构造可以基于凹槽的流体仿真和特征进行计算。然而，优选相对于旋转方向存在角度。能够以下述方式确定上述角度的方向。当在设计上强调冷却时，如图23所示相对于旋转方向成“负角度”可能是最有用的，当在设计上强调摩擦损失时，由于在如图24所示相对于旋转方向成“正角度”的情况下轴的旋转阻力(摩擦损失)增大，因而相对于旋转方向成“正角度”可能是最有用的。
在任意的情况下，优选轴凹槽80的总面积是气隙G的通道面积的大约两倍。因而，当在轴向截面上观察时，多个凹槽80的总截面积大于间隙G的总截面积。优选地，当在轴向截面上观察时，多个凹槽80的总截面积是间隙G的总截面积的大约两倍。在所示实施方式中，间隙G的面积与凹槽80的面积之比为0.63至0.37。然而，优选根据在设计上是强调冷却还是强调减小摩擦损失来确定最佳的凹槽面积和凹槽角度。应当注意的是，在本文讨论截面积时，间隙G通常非常小，为了便于图示而将该间隙G的尺寸放大。
再次参照图3至图13，将对用于将冷却介质输送到马达38的选项进行更详细说明。在图3至图13的所有附图中，设置有定子供给管线SS、定子返回管线SR、至少一个转子供给管线RS以及转子返回管线RR。从图15A至图15B和图16A至图16B最好理解的是，尽管在这些图中仅表示为线，但这些线代表常规的导管/管道。图15A至图15B中的RR线和RS线仅在实线处可以组合。换言之，在图15A至图15B中能够设置单条转子供给管线RS和单条转子返回管线RR，或者可以设置两条并行的管线。在任意情况下，图15A至图15B示出了流过间隙G和凹槽80的并行流动。在图16A至16B中示出了朝/从马达38的相反端部流过凹槽80和间隙G的串行流动。因而，仅使用了单条转子供给管线RS和单条转子返回管线RR。本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，在不偏离本发明的范围的情况下，图15A、15B、16A、16B的流动中的至少任何一个能够与图3至图13中的流动一起使用。
在图3至图13的所有附图中，定子供给管线SS和定子返回管线SR都是相同的。每条定子供给管线SS包括两个电磁阀SOV，在上述两个电磁阀SOV之间夹着干燥过滤器DF。每个定子返回管线SR包括电磁阀SOV。另外，图3至图13的每张附图中的转子返回管线RR也是相同的。然而，图3至图13的转子供给管线RS是不同的。在图3至图13中，将一些冷却介质输送布置应用到第一和/或第二冷却器系统10或10’，在上述情况下，用虚线围住压缩机22’的第二级以表明其可选的。在这些情况下，转子供给管线RS不会受到有无压缩机22’的第二级的影响。
在图3中，转子供给管线RS将冷却流体从蒸发器28输送到马达38。因而，上述输送适用于单级冷却器系统10或双级冷却器系统10’。
在图4中，转子供给管线RS将冷却流体从节热器26输送到马达38。因而，该输送适用于双级冷却器系统10’。
在图5中，转子供给管线RS将冷却流体从冷凝器24输送到马达38。在这一选项中，转子供给管线RS包括电磁阀SOV，在上述电磁阀SOV之间夹着粗滤器ST，并且在上述电磁阀SOV的下游具有膨胀阀EXV。因而，该输送适用于单级冷却器系统10或双级冷却器系统10’。
在图6中，转子供给管线RS将冷却流体从冷凝器24输送到马达38。在这一选项中，转子供给管线RS包括电磁阀SOV，在上述电磁阀SOV之间夹着粗滤器ST，并且在上述电磁阀SOV的下游具有孔口O。因而，该输送适用于单级冷却器系统10或双级冷却器系统10’。
在图7中，转子供给管线RS将冷却流体从冷凝器24输送到马达38。在这一选项中，转子供给管线RS包括电磁阀SOV，在上述电磁阀SOV之间夹着粗滤器ST，并且在上述电磁阀SOV的下游具有并联地安装的膨胀阀EXV和孔口O。因而，该输送适用于单级冷却器系统10或双级冷却器系统10’。
在图8中，转子供给管线RS经由分支点将冷却流体从冷凝器24和蒸发器28输送到马达38。在这一选项中，来自冷凝器的转子供给管线RS包括电磁阀SOV，在上述电磁阀SOV之间夹着粗滤器ST，并且在上述电磁阀SOV的下游具有膨胀阀EXV。因而，该输送适用于单级冷却器系统10或双级冷却器系统10’。
在图9中，转子供给管线RS经由分支点将冷却流体从冷凝器24和蒸发器28输送到马达38。在这一选项中，来自冷凝器的转子供给管线RS包括电磁阀SOV，在上述电磁阀SOV之间夹着粗滤器ST，并且在上述电磁阀SOV的下游具有孔口O。因而，该输送适用于单级冷却器系统10或双级冷却器系统10’。
在图10中，转子供给管线RS经由分支点将冷却流体从冷凝器24和蒸发器28输送到马达38。在这一选项中，来自冷凝器的转子供给管线RS包括电磁阀SOV，在上述电磁阀SOV之间夹着粗滤器ST，并且在上述电磁阀SOV的下游具有并行地安装的膨胀阀EXV和孔口O。因而，该输送适用于单级冷却器系统10或双级冷却器系统10’。
在图11中，转子供给管线RS经由分支点将冷却流体从冷凝器24和节热器26输送到马达38。在这一选项中，来自冷凝器的转子供给管线RS包括电磁阀SOV，在上述电磁阀SOV之间夹着粗滤器ST，并且在上述电磁阀SOV的下游具有膨胀阀EXV。因而，该输送适用于单级冷却器系统10或双级冷却器系统10’。
在图12中，转子供给管线RS经由分支点将冷却流体从冷凝器24和节热器26输送到马达38。在这一选项中，来自冷凝器的转子供给管线RS包括电磁阀SOV，在上述电磁阀SOV之间夹着粗滤器ST，并且在上述电磁阀SOV的下游具有孔口O。因而，该输送适用于双级冷却器系统10’。
在图13中，转子供给管线RS经由分支点将冷却流体从冷凝器24和节热器26输送到马达38。在这一选项中，来自冷凝器的转子供给管线RS包括电磁阀SOV，在上述电磁阀SOV之间夹着粗滤器ST，并且在上述电磁阀SOV的下游具有并行地安装的膨胀阀EXV和孔口O。因而，该输送适用于双级冷却器系统10’。
控制器20可以控制阀和/或孔口的尺寸，上述尺寸可以设定成输送准确量的制冷剂。定子供给管线SS、定子返回管线SR、至少一个转子供给管线RS、转子返回管线RR以及配置在上述部分中的部件形成根据本发明的冷却介质输送结构的部件。从图3至图16最好理解的是，冷却介质输送结构还包括：入口导管IC，上述入口导管IC定位成将冷却介质供给到马达38的第一轴向端部；以及出口导管OC，上述出口导管OC定位成将冷却介质从马达38的第二轴向端部排出。入口导管IC定位成将冷却介质从马达38的第一轴向端部经由间隙G和至少一个轴向通道(例如，由凹槽80形成)供给到马达38的第二轴向端部，以对转子62进行冷却，而出口导管OC定位成将供给到马达38的第二轴向端部的冷却介质从间隙G和至少一个轴向通道(例如，由凹槽80形成)排出。当然，第一轴向端部和第二轴向端部能够如图15A至图15B和图16A至图16B所示地倒转。导管IC、OC能够朝/从间隙G和凹槽80供给/排出冷却介质，或者能够为间隙G设置额外的常规导管(例如，与之前用于将流体输送到间隙的那些导管相同的导管)。
在所示实施方式中，冷却介质输送结构不包括泵。另外，在所示实施方式中，根据冷却介质流动的方向，入口导管(IC)的至少一部分轴向地配置成比马达38的第一轴向端部更靠近第一磁轴承元件44或第三磁轴承元件48之一。根据冷却介质流动的方向，出口导管OC的至少一部分轴向地配置成比马达38的第二轴向端部更靠近第二磁轴承元件46或第三磁轴承元件48之一。在所示实施方式中，第三轴向推力轴承元件48分别轴向地配置在第一径向磁轴承元件44及第二径向磁轴承元件46之一与马达38的第一轴向端部及第二轴向端部之一之间。
参照图1和图2，冷却器控制器20可以包括多种控制部，上述控制部被编程为以常规方式对常规部件进行控制。例如，常规的磁轴承控制部、常规的压缩机变频驱动器、常规的压缩机马达控制部、常规的入口导叶控制部以及常规的膨胀阀控制部。这些部件可以是独立的部件或组合的部件。
在所示实施方式中，控制部是冷却器控制器20的、被编程为执行本文描述的部件的控制的部分。然而，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，只要一个或多个控制器被编程为执行对本文描述的冷却器系统10的部件的控制，则控制部、部件和/或冷却器控制器20的精确数量、位置和/或结构能够在不偏离本发明的情况下进行改变。
冷却器控制器20是常规的控制器，因而包括至少一个微处理器或CPU、输入/输出(I/O)接口、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)以及存储设备(临时或永久)，这些部件形成被编程为执行一个或多个控制程序以控制冷却器系统10的计算机可读介质。冷却器控制器20可以可选地包括：诸如小键盘之类的输入接口，上述输入接口接收来自用户的输入；以及显示设备，上述显示设备用于将各种参数显示给用户。上述部件和程序是常规的部件和程序，因而，除非理解实施方式所需，否则将不在本文中详细讨论。
就全球环境保护而言，考虑在冷却器系统中使用诸如R1233zd、R1234ze之类的新型的低GWP(Global Warming Potential：全球变暖潜值)制冷剂。低全球变暖潜值制冷剂的一个示例为蒸发压力等于或小于大气压的低压制冷剂。例如，低压制冷剂R1233zd是离心冷却器应用的候选项，因为其是不易燃、无毒、低成本，并且与诸如R1234ze之类的其它候选项相比，具有高COP，而所述R1234ze是目前主流的制冷剂R134a的替代品。在所示实施方式中，冷却介质是用于冷却器系统10或10’的制冷剂。优选地，制冷剂是低压制冷剂(LPR)和低全球变暖潜值(GWP)制冷剂中的至少一种。更具体而言，低压制冷剂(LPR)可以是R1233zd并且/或者低全球变暖潜值(GWP)制冷剂可以是R1234ze或R1234yf。
现参照图26至图28，在图26中示出了采用R134a的常规马达，在图27中示出了采用R1233zd的常规马达，而在图28中示出了采用R1233zd的根据本发明的马达。如图所示，当以相同的形状执行冷却时，如图26所示，例如，在R134a中相对于60℃的温度极限执行了充分的冷却，然而，如图27所示，在R1233zd中超过了温度极限。其原因是：R134a能够供给例如0.48kg/s的制冷剂供给量，而R1233zd仅能够供给0.18kg/s的制冷剂供给量(大约三分之一)。压力差(高压－低压)用于供给制冷剂，因而，R1233zd的绝对供给量减少。同样地，当不存在凹槽时，转子冷却传热部分将仅为转子的外表面。该传热区域的缺失将引起R1233zd中温度的升高。如图28所示，当在轴内设置有凹槽时，马达38的内部温度将得到充分冷却。通过在轴内设置凹槽，增大了制冷剂内的通道区域，从而增大了制冷剂供给量。通过在轴内设置凹槽，转子得以从该转子的外部和内部被冷却。
就与磁轴承的距离而言，通常，磁轴承配置在总计三个位置处，即，径向磁轴承1、2和推力磁轴承3。为了对磁轴承进行冷却，优选图15A至15B和图16A至图16B所示的下述布置。将制冷剂供给端口(例如，入口导管IC)和排放端口(例如，出口导管OC)布置成尽可能靠近磁轴承。将轴凹槽80和磁轴承布置成使得该轴凹槽80与该磁轴承之间的距离尽可能小。如图15A至图15B和图16A至图16B的示例所示，制冷剂供给端口/排放端口的位置能够根据转子负载或每个磁轴承上的负载进行切换，并且能够在运转期间执行上述切换。
术语的一般解释
在理解本发明的范围时，本文所使用的术语“包括”及其派生词旨在表示开放式术语，其指定表述的特征、元件、零件、组、整体和/或步骤的存在，但是不排除其它未表述的特征、元件、零件、组、整体和/或步骤的存在。上述内容也适用于具有类似含义的诸如术语“包括”、“具有”及其派生词之类的术语。而且，当以单数形式使用时，术语“部件”、“部”、“部分”、“构件”或“元件”可以具有单个部件或多个部件的双重含义。
本文使用的用于描述由零件、部以及设备等执行的运行或功能的术语“检测”包括不需要物理检测的零件、部以及设备等，还包括确定、测量、建模、预测或计算等，以执行运行或功能。
本文所使用的用于描述设备的零件、部或部件的术语“构造”包括构成和/或编程为执行期望功能的硬件和/或软件。
本文所使用的诸如“大体上”、“大约”以及“大致”的程度术语是指改进后的术语的合理偏差量，而最终结果不会显著改变。
尽管仅选择了选定的实施方式以对本发明进行说明，但对于本领域技术人员来说，从本公开中应当明白，在本文中，能够在不脱离随附权利要求书限定的本发明的范围内进行各种改变和修改。例如，各种零件的尺寸、形状、位置或方向能够根据需要和/或期望来进行改变。直接连接或彼此接触地示出的零件能够具有配置在它们之间的中间结构。一个元件的功能可以由两个元件来执行，反之亦然。一个实施方式的结构和功能能够在另一个实施方式中采用。所有优点不需要同时出现在特定实施方式中。现有技术中每个唯一的特征单独或与其它特征相结合，也应当被认为是申请人对进一步发明的单独描述，包括由这些特征所体现的结构和/或功能概念。因而，根据本发明的实施方式的上述描述仅被提供用于说明，并不旨在限制由随附权利要求书及它们的等同物所限定的本发明。

Claims (23)

1.一种离心压缩机，适用于冷却器，所述离心压缩机包括：
壳体，所述壳体具有入口部和出口部；
入口导叶，所述入口导叶配置于所述入口部；
叶轮，所述叶轮配置于所述入口导叶的下游，所述叶轮附接到能绕旋转轴线旋转的轴；
扩散器，所述扩散器配置于所述叶轮的下游的所述出口部；
马达，所述马达布置成使所述轴旋转，从而所述叶轮旋转，所述马达包括转子和定子，所述转子安装在所述轴上，所述定子配置于所述转子的径向外侧，以在所述转子与所述定子之间形成间隙；以及
冷却介质输送结构，所述冷却介质输送结构包括入口导管和出口导管，所述入口导管定位成将冷却介质供给到所述马达，所述出口导管定位成将所述冷却介质从所述马达排出，
所述轴具有与所述转子的内部形状不同的外部形状，以在所述轴与所述转子之间沿着所述轴的轴向长度形成至少一个轴向通道，所述轴向通道至少与所述转子的轴向长度一样长，并且
所述入口导管定位成通过所述间隙和至少一个所述轴向通道供给所述冷却介质，以对所述转子进行冷却，并且所述出口导管定位成从所述间隙和至少一个所述轴向通道排出所述冷却介质。
2.如权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，
所述轴的外部形状与所述转子的内部形状不同，以在所述轴与所述转子之间沿着所述轴的轴向长度形成多个轴向通道，所述轴向通道至少与所述转子的轴向长度一样长。
3.如权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，
所述轴的所述外部形状包括环状部和多个凹槽，所述凹槽从所述环状部径向向内延伸。
4.如权利要求3所述的离心压缩机，其特征在于，
所述凹槽绕所述环状部沿着周向方向彼此大致等距地间隔开。
5.如权利要求3或4所述的离心压缩机，其特征在于，
每个所述凹槽包括第一侧壁、第二侧壁以及槽壁，所述第二侧壁与所述第一侧壁周向地间隔开，所述槽壁径向地连接所述第一侧壁和所述第二侧壁的内端部。
6.如权利要求5所述的离心压缩机，其特征在于，
当在轴向截面上观察时，每个凹槽的所述第一侧壁与该凹槽的所述第二侧壁大致平行。
7.如权利要求5或6所述的离心压缩机，其特征在于，
当在轴向截面上观察时，每个凹槽具有与所述第一侧壁及所述第二侧壁等距地间隔开的中心线，并且每个凹槽的所述中心线相对于所述轴的径向方向倾斜。
8.如权利要求7所述的离心压缩机，其特征在于，
在所述离心压缩机的运转期间，所述轴绕旋转方向旋转，并且
每条中心线倾斜成使得所述中心线的径向外端部周向地配置成比所述中心线的径向内端部更靠正旋转方向。
9.如权利要求7所述的离心压缩机，其特征在于，
在所述离心压缩机的运转期间，所述轴绕旋转方向旋转，并且
每条中心线倾斜成使得所述中心线的径向内端部周向地配置成比所述中心线的径向外端部更靠正旋转方向。
10.如权利要求5所述的离心压缩机，其特征在于，
在所述离心压缩机的运转期间，所述轴绕旋转方向旋转，并且
每个凹槽的所述第一侧壁和所述第二侧壁中的至少一个的角度设定成使得径向外端部周向地配置成比径向内端部更靠正旋转方向。
11.如权利要求5所述的离心压缩机，其特征在于，
在所述离心压缩机的运转期间，所述轴绕旋转方向旋转，并且
每个凹槽的所述第一侧壁和所述第二侧壁中的至少一个的角度设定成，使得径向内端部周向地配置成比径向外端部更靠正旋转方向。
12.如权利要求1至11中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，
当在轴向截面上观察时，至少一个的轴向通道的总截面积大于所述间隙的总截面积。
13.如权利要求12所述的离心压缩机，其特征在于，
当在轴向截面上观察时，至少一个的轴向通道的总截面积是所述间隙的总截面积的大约两倍。
14.如权利要求1至13中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，
所述冷却介质是用于所述冷却器的制冷剂。
15.如权利要求14所述的离心压缩机，其特征在于，
所述制冷剂是低压制冷剂(LPR)。
16.如权利要求15所述的离心压缩机，其特征在于，
所述低压制冷剂(LPR)是R1233zd。
17.如权利要求14所述的离心压缩机，其特征在于，
所述制冷剂是低全球变暖潜值(GWP)制冷剂。
18.如权利要求17所述的离心压缩机，其特征在于，
所述低全球变暖潜值(GWP)制冷剂是R1234ze或R1234yf。
19.如权利要求14至18中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，
所述冷却介质输送结构不包括泵。
20.如权利要求14至19中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，还包括：
磁轴承，所述磁轴承能旋转地支承所述轴。
21.如权利要求20所述的离心压缩机，其特征在于，
所述磁轴承包括：
第一径向磁轴承元件，所述第一径向磁轴承元件配置在所述马达的第一轴向端部上；
第二径向磁轴承元件，所述第二径向磁轴承元件配置在所述马达的第二轴向端部上；以及
第三轴向推力轴承元件，所述第三轴向推力轴承元件配置在所述马达的所述第一轴向端部和所述第二轴向端部中的一个轴向端部上。
22.如权利要求21所述的离心压缩机，其特征在于，
所述入口导管的至少一部分轴向地配置成比所述马达的所述第一轴向端部更靠近第一磁轴承元件或第三磁轴承元件之一。
23.如权利要求21所述的离心压缩机，其特征在于，
所述出口导管的至少一部分轴向地配置成比所述马达的所述第二轴向端部更靠近第二磁轴承元件或第三磁轴承元件之一。
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